内燃机代用燃料的应用研究与发展趋势

内燃机代用燃料的应用研究与发展趋势前言近年来,随着我国经济的快速发展,石油的需求量持续增长。1993年起我国己成为石油纯进口国,2009年我国原油进口比例已超过52%。另外,我国的汽车尾气排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。因此,针对我国自然条件和能源资源特色,逐步改变汽车能源结构,发展汽车清洁代用燃料,在发动机上实现高效、低污染的燃烧,控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响,已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的课题。据统计,从现在起全球的石油资源还可以用67年,天然气的储量也最多可以使用123年,所以寻找一种新型替代燃料成为当今社会的一个研究重点。任何国家的经济发展都与能源问题密切相关，而内燃机对燃料的需求，在能源总消耗中占很大比例。当前内燃机主要用石油作为燃料，一般工业发达国家消耗在内燃机上的燃料约占整个石油消耗量的60%左右。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油可维持50年左右，1990年左右世界石油产量达到过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到2030年液体燃料中的40%左右要由煤的合成燃料来满足。因此，为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展，研究与开发代用燃料是势在必行。1代用燃料的定义代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。《美国能源政策法规》将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。2代用燃料的分类内燃机燃料是经过一系列演变发展过程的。早在1892年狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴油机的燃料，但未成功。长期以来，内燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中C含量减少，H含量增加时，燃料为轻质的，并演变为气体燃料。反之，当C含量增加，H含量减少，就成为重质燃料。未来内燃机燃料将向两极演变，即氢气和煤炭以及由煤炭派生出来的燃料，后者将主要是醇类燃料及人工合成的汽油等。在这种演变过程中，各种混合、乳化燃料，生物能类燃料及宽馏分燃料将在内燃机中得到不同程度的应用。由于代用燃料刚处于研究发展阶段，还难以提出完善的分类。从代用燃料的广泛含义来说，应包括：(1)品质更低劣的传统石油燃料，如过去一般不使用的劣质重油、残渣油；(2)使用形式变化了的燃料，如各种掺水的乳化燃料、固体粉末和液体混合的燃料；(3)人工模拟燃料，如将石油气和空气混合模拟成天然气使用；(4)人工合成燃料，将两种以上元素或生产企业的副产品人工合成可燃的燃料。3代用燃料使用的标准良好的代用燃料应能满足下列要求：(1)资源丰富，价格适宜；(2)燃料的热值，尤其是混合气热值能满足内燃机动力性能的要求；(3)能满足车辆起动性能、行驶性能以及加速性能等方面的要求；(4)能量密度较高、储存运输方便；(5)发动机的结构变动较小，技术上可行；(6)现有的燃料储运分配系统能用得上；(7)对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响；(8)对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的，但应满足主要要求，并在采取技术措施的情况下，能满足各方面的要求。4代用燃料的选择在选择代用燃料时要考虑可供生产代用燃料的国家资源情况、工业发展水平、生产代用燃料的技术及效益、热机的适应性及发展趋势、环境保护等。而交通运输车辆需要大量品质较优的燃料，应优先考虑。热机与燃料是密切相关的，燃料的范围在扩大，热机的技术在发展，而它们之间必须协调，才能获得最大的综合效益。生产醇类燃料的资源丰富，尤其甲醇可从我国储藏量很大的煤炭及天然气中提炼，生产工艺成熟。近几年的研究及应用表明，在内燃机中使用醇燃料，可以获得良好的动力性、燃油经济性及排放特性等。氢气虽然是良好的、清洁的内燃机燃料，但一些生产技术问题，如生产工艺、成本及储存运输等，在短时间内难以得到完善的解决，而且生产氢需要消耗较多的电能，近期还不可能大规模研究开发。我国地大物博，各地资源及生产发展不平衡，有些地区的植物、野生植物等生物资源丰富，有待开发。世界上一些谷物有过剩的国家，生产和推广乙醇也是适宜的。我国利用人畜粪便、植物茎杆及垃圾制造沼气的地区相当广泛，技术水平也较高。随着各国对环境保护的日益重视和石油供需矛盾的日益加剧,近几年代用燃料在汽车上的应用得到了很大发展。气体燃料(如天然气、液化石油气)以其价格便宜、排气污染低等突出优点,倍受人们的青睐,被认为是很有前途的车用“低污染燃料”。在我国,油气田的不断开发,气体燃料供给有了可靠保证,气体燃料发动机得到了应用发展。热机的技术在不断发展，往复式内燃机在今后相当长时期内，仍将获得广泛应用。在传统的往复式内燃机基础上发展起来的双燃料发动机、气体燃料发动机，在我国及世界上一些国家都取得了新的研究成果及应用。能够适应往复式内燃机的燃料更多。其它热机如旋转活塞发动机、斯特林发动机及燃气轮机等各有特点，有的热机还可以使用固体燃料，都有一定的潜力，将在一定的范围内得到应用，但是否能替代往复式内燃机，则还不能作出结论。在选择代用燃料时，开展协调燃料与热机相互之间要求的研究工作，制定合理的燃料规范及改进热机的措施是很必要的，以便充分发挥燃料的作用和提高热机的性能。5代用燃料的发展历史与应用研究概况内燃机的清洁代用燃料有氢气、沼气、液化石油气(LPG)、天然气(LNG、CNG)、二甲醚(DME)、醇类(甲醇、乙醇)、酯类(植物油、生物柴油)以及复合燃料、乳化燃料、燃料电池、电动汽车、混合动力汽车等,然而,目前仅有天然气、LPG、二甲醚、甲醇较成功地应用于柴油机,但是需要对发动机进行参数调整或者改造。其他清洁代用燃料由于存在一些技术上或经济上的困难而未能大面积推广使用。目前,国际上公认最有前途的内燃机清洁代用燃料是醇类燃料。醇类燃料主要是指甲醇、乙醇,它们都具有使用、储存和运输方便的特点。醇类燃料作为柴油机的代用燃料有巨大的优越性,特别是对于环境的改善作用来说,柴油机使用醇类燃料可减少常规污染物(CO、HC、NOx、PM),尤其是颗粒物的排放量,降低烟度和致癌度。同时,甲醇的来源十分丰富,可从固体原料煤炭、液体原料石脑油和渣油、气体原料天然气和油田气及煤层气等中制取。6代用燃料在国内的发展与研究我国是世界上研究和应用生物质燃料较早的国家之一。唐朝时期就用酒精(乙醇)照明及烹饪。20世纪40年代中期将酒精、发生炉煤气以及由桐油热裂成的燃油用于车用发动机上，并对菜籽油、大豆油及松根油等进行实验研究。长期以来对沼气的研究与应用进行得广泛而深入，全国都设立了沼气应用技术推广站。目前有一些地区不仅将沼气当作生活燃料，而且也用于内燃机。自70年代末起，山西、四川、吉林及北京等省市对汽油甲醇混合燃料进行了初步实验研究。原国家科委在“六五”期间组织了M10~M15的台架实验及车队使用实验研究，参加的单位有交通部公路研究所、北京汽车研究所、长春汽车研究所、吉林工业大学、华中理工大学、中国科学院工程热物理研究所和环境化学研究所、石油科学研究院、北京医科大学以及山西交通科学研究所等。除了对甲醇、汽油混合燃料进行实验研究外，中国科学院工程热物理所和华中理工大学还分别对汽油机燃用100%的甲醇及在柴油机中掺烧甲醇进行了实验研究。与此同时，原国家科委组织了从煤中提炼甲醇等工艺技术的研究。天津大学、浙江大学、西安交通大学及山东工业大学等对在汽油机及柴油机中燃用甲醇进行了很多实验研究工作。浙江大学还对氢气、液化石油气及煤粉浆进行过研究。贵阳山地农机研究所、上海内燃机研究所、上海交通大学及南京野生植物研究所等单位对可食用植物油及野生植物油在内燃机中的应用也进行了很多工作。解放军后勤工程学院军事油料应用教研室许世海等人以菜籽油为原料，与甲醇发生酯交换反应制备生物柴油，找到了合适的醇油比，得到的产品的主要理化指标达到0#柴油的使用标准。原国家科委组织的攻关项目，上述各单位以及国内其它有关单位的台架实验、环境保护等研究工作，都取得了很多有价值的成果，为我国内燃机代用燃料的研究和应用打下了良好的基础，显示了广阔的前景。7代用燃料在国外的发展与研究早在20世纪初，柴油机的发明人狄赛尔就已经在柴油机中用花生油当燃料做过实验。二次世界大战期间，中国、印度及日本都将桐油、松根油及可食用的植物油等进行改质后在内燃机中燃用，或与石油燃料混合使用。德国也将约7万t的甲醇当作战车发动机燃料使用。20世纪60年代为了内燃机排气的净化，一些国家对低污染的醇燃料及氢气等发生兴趣，开始进行研究。而1973年石油危机以后，进一步认识到研究代用燃料的重要性，开展了对醇燃料、氢气及生物质燃料等的广泛研究，投入大量研究经费。例如联邦德国为在1979年~1982年期间的公路交通运输代用能源重点科研项目拨款1.35亿马克，其中65%用于醇燃料，25%用于氢技术，10%用于电力牵引。美国前总统卡特在三年内拨款1100万美元研究甲醇燃料。联邦德国在1979年~1983年期间投入将近1200辆汽车进行M3(指在汽油中加入3%容积比的甲醇，余类推)、M5、M15及M100的实验研究，全国已有30个以上的加油站供应M3甲醇/汽油混合燃料。美国的许多大学、企业及研究单位开展了对醇燃料的实验研究工作。1979年加里福尼亚洲政府及私营企业共拨款3400万美元研究醇燃料，先后投入600辆汽车，在汽油机上使用100%甲醇作实验，已建立了17个甲醇加油站，并在锅炉及燃气透平上进行使用甲醇的实验研究。美国已将在汽油中加入10%容积比乙醇的汽醇燃料E10作为商品出售，并已制定了E10燃料的规范。为了鼓励人们使用E10，许多州对它免征燃料税。瑞典是较早确定研究开发甲醇燃料的国家，成立了甲醇燃料开发公司。1980年投入了近1000辆进行使用M15燃料的实验研究，有19个加油站供应甲醇及甲醇汽油混合燃料。以后又在大型货车及公共汽车上进行M100的实验研究。1976年在瑞典召开了第一界国际醇燃料技术讨论会，以后世界上又相继召开此会议。巴西所需的石油大部分要依靠进口，而它的陆地面积在世界上占第五位，甘蔗产量高。根据上述特点制定了有名的酒精(乙醇)燃料发展计划。既利用糖厂同时生产酒精，又建立了新酒精厂，1980年生产了34亿l酒精。1984年建成了300个酒精厂，并研究用木柴纤维及植物茎杆经过酸腐蚀、水解生产酒精，到1985年酒精产量预计达到107亿l。在大部分城市都有在汽油中加10%~20%酒精的混合燃料出售。巴西还与联邦德国汽车公司合作，研究和生产了纯酒精发动机汽车，90%的汽车燃用乙醇，在拖拉机上也已开始应用乙醇及植物油。其它国家如前苏联、罗马尼亚、日本、加拿大、新西兰、印度等许多国家也都进行了醇燃料及其它代用燃料的研究和应用工作。20世纪70年代以后很多国家更加重视对生物质能的研究与开发。能提供生物燃料的植物品种很多，其中有些具有较高的经济价值。研究开发生物质能，不仅可以扩充燃料来源，而且可以绿化环境，改善生态平衡，使农民富裕起来。巴西、奥地利、新西兰、日本、印度及美国等许多国家都在不同程度上开展了对生物质能的研究，涉及的范围较广。除对现有植物油、乙醇以及一些动物油脂进行实验和应用外，还对野生植物油及可直接生产碳氢化合物液体燃料的能源植物进行研究，建立能源林场，研究品种优良、速长高产的能源植物。此外，还将生物质油类提炼成单脂类，作为内燃机的燃料进行实验研究。醇类燃料目前内燃机上应用的醇类燃料主要包括甲醇、乙醇。醇类燃料具有高辛烷值的特点，故主要靠火花塞或高十六烷值燃料如柴油点燃。对于醇类燃料，甲醇是最简单的醇燃料，其来源广泛，可由天然气合成，解决了天然气不易运输及火焰传播速度慢的缺点，也可由煤制取，更符合中国煤炭资源丰富的特点，具有广阔的应用前景。但在使用中需防范其可能产生的毒性危害，另外由于其对橡胶和金属的腐蚀性，还需考虑相关部件的防腐问题。近年来国外将研究对象转为含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其与汽油相近的性质及较高的单位质量能量密度